È facile dare per scontata la vita che pullula sul nostro pianeta, ma la sua esistenza solleva una domanda molto difficile:da dove viene la vita sulla Terra?
Prima del 1860, quando Louis Pasteur sviluppò la sua teoria dei germi sulla malattia, il consenso comune era che la vita potesse generarsi spontaneamente. Ad esempio, se lasciassi fuori i chicchi di grano, genererebbero topolini. L’acqua lasciata ferma per giorni darebbe vita a organismi come le alghe. Oggi sappiamo che la nuova vita non si genererà dal nulla, ma ciò è dovuto in gran parte al lavoro di Pasteur [fonte:Abedon].
Pasteur ci ha mostrato che i microrganismi, incapaci di essere rilevati dai sensi umani, vivono ovunque intorno a noi. Ciò portò alla sua teoria dei germi, in cui si afferma che la salute umana è soggetta agli attacchi di questi microrganismi e che questi attacchi possono provocare ciò che consideriamo una malattia.
Ma la sua eredità include anche un cambiamento epocale nella comprensione umana della genesi della vita. Dopo che Pasteur rivelò la natura dei germi, di fatto uccise l’idea, ora apparentemente superstiziosa, secondo cui la vita organica può generarsi spontaneamente da materiale inorganico. Paradossalmente, la scienza è tornata a esplorare ancora una volta proprio questo concetto come una delle due principali spiegazioni in competizione per l'origine della vita sulla Terra.
Il concetto che la vita possa essersi generata spontaneamente si chiama abiogenesi . Nel remoto passato i precursori della vita, come gli amminoacidi e le proteine, sorsero da un brodo primordiale e riuscirono a organizzarsi in forme di vita precellulari autoreplicanti. Questo inizio della vita alla fine compose e trascrisse il DNA che oggi costituisce la base del codice genetico dei processi vitali. È un'idea fantastica, criticata da molti all'interno e all'esterno della comunità scientifica.
Dall’altro lato c’è il principale – e altrettanto fantastico – rivale dell’abiogenesi come spiegazione dell’origine della vita sulla Terra. Questo concetto, panspermia , dice che la vita non è iniziata qui sulla Terra, ma altrove nell'universo o nel sistema solare. La vita è stata trasportata qui, in un veicolo come un asteroide proveniente da un altro pianeta, e si è affermata più o meno allo stesso modo in cui fa un seme in un terreno fertile. Probabilmente, più precisamente, la vita si sarebbe diffusa come una malattia epidemica in una forma molto simile ai germi scoperti da Pasteur.
Nessuno può essere sicuro di quale dei due spieghi adeguatamente l’origine della vita sulla Terra, ma sorprendentemente è stato dimostrato che entrambi sono possibili. In questo articolo, esamineremo il caso di ciascuno. Innanzitutto, esamineremo un problema comune condiviso da entrambe le teorie.
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Più o meno nello stesso periodo in cui Pasteur sviluppava la sua teoria dei germi, Charles Darwin stava presentando al mondo la sua teoria dell’evoluzione. Contribuirebbe a creare una road map logica nella ricerca della prima vita sulla Terra. In "L'origine delle specie", Darwin fa riferimento alla descrizione di Sir John Herschell della genesi della vita sulla terra come il "mistero dei misteri" e propone che le specie sulla Terra oggi non siano state create in modo indipendente. Invece, si sono evoluti in numeri in continua espansione da specie precedenti attraverso il processo di evoluzione per selezione naturale [fonte:Darwin]. Al centro di questa linea di ragionamento c’è l’implicazione che tutti gli organismi potrebbero essersi evoluti da un unico antenato comune. Così ebbe inizio la moderna indagine sull'origine della vita sulla Terra.
Il lavoro di Darwin fu costruito su un sistema già esistente di classificazione biologica proposto nel 1753 dal biologo svedese Carl von Linne (noto come Linneo). Linneo sviluppò la tassonomia , un sistema per classificare gli organismi basato generalmente sui tratti fisici, dal taxon più ristretto (specie) a un gruppo di specie affini (genere) e in taxa sempre più ampi fino ai regni di piante e animali (e originariamente minerali) [fonte:Pidwirny]. Questo sistema di classificazione biologica si è evoluto nel tempo, con l'espansione del numero di regni e la creazione di taxon e domini più ampi, stabiliti per classificare le cellule come eucariotiche (contenente cellule con DNA in un nucleo), batteri e archaea (il dominio degli estremofili).
Nel corso del tempo la tassonomia è diventata più accurata, attraverso l’applicazione della genetica. Questo campo ibrido è chiamato filogenesi , dove l'interrelazione degli organismi è stabilita in base al loro DNA condiviso. Ad esempio, i geni correlati (quelli che svolgono funzioni simili) trovati negli esseri umani e in alcuni tipi di topi condividono fino al 90% di somiglianza nelle loro sequenze di DNA [fonte:Stubbs]. Il confronto genetico tra scimpanzé e esseri umani produce una somiglianza di circa il 95% [fonte:Pickrell]. Queste somiglianze sono significative, ma la filogenesi ha confermato ciò che Linneo, Darwin e innumerevoli altri scienziati postulavano da tempo:che ogni essere vivente sulla Terra è imparentato.
Il sistema utilizzato per classificare gli esseri viventi assomiglia molto a un albero, con i primi organismi che costituiscono la struttura della radice e vari taxa che si restringono nel tronco, nei rami grandi, nei rami più piccoli e infine nelle foglie che rappresentano i quasi 2 milioni di specie attualmente classificato dalla scienza [fonte:O'Loughlin]. Questa rappresentazione è spesso chiamata albero della vita . Tuttavia, man mano che la filogenesi è diventata sempre più utilizzata, è dimostrato che forse le radici dell'albero della vita sono in qualche modo atipiche.
Il confronto genetico degli organismi fornito dalla filogenesi ha rivelato un serio ostacolo che i primi biologi non riuscivano a individuare per poter risalire all'albero della vita fino a un unico antenato comune. La caccia all'antenato comune e l'idea stessa che ne esista uno si basa sulla distribuzione genetica tramite trasferimento genico verticale . Attraverso questo, i geni vengono trasmessi da una generazione a quella successiva attraverso la riproduzione sessuale o asessuata. Uno o due organismi danno origine a un altro che eredita una replica di se stesso o una combinazione prevedibile dei loro geni. Nel corso del tempo, gli organismi possono eventualmente divergere in specie o addirittura regni completamente diversi, come gli esseri umani dalle scimmie (o, ancora più indietro, dove la linea genealogica che ha dato origine agli uccelli si è discostata da quella dei batteri), ma questo trasferimento orizzontale di geni lascia ancora un traccia di briciole di pane genetico che possiamo seguire per risalire alle nostre origini.
Fino agli anni Cinquanta, quando fu scoperto un altro tipo di trasferimento genico, l’opinione prevalente tra gli scienziati era che i geni venissero trasferiti solo verticalmente. Orizzontale o trasferimento genico laterale è un altro mezzo con cui un organismo ottiene i geni di un altro, ma piuttosto che da genitore a prole, questo metodo di distribuzione genetica si basa sul fatto che un organismo assorbe efficacemente il DNA di un altro organismo intero e intatto [fonte:Wade]. Due organismi possono creare un terzo organismo ibrido, apparentemente non correlato con entrambi i geni, ma non simile in alcun modo alla combinazione uguale di geni che si verifica durante la riproduzione. Invece, un organismo più grande può virtualmente mangiare un altro organismo e conservare il codice genetico del secondo organismo, utilizzando per sé il codice del primo organismo. Si ritiene che i mitocondri, la parte della cellula responsabile della conversione degli zuccheri nell'energia utilizzata per alimentare le funzioni cellulari negli animali eucarioti, esistessero una volta come organismo indipendente [fonte:Wade]. Attraverso il trasferimento laterale, un antico eucariota lo assorbiva e conservava il suo corredo genetico.
All’inizio della storia della Terra, i microbiologi ora credono che il trasferimento laterale fosse comune, dando alle radici dell’albero della vita non una linea diretta verso l’alto da un singolo seme, ma piuttosto una serie di linee incredibilmente incrociate e praticamente irrintracciabili tra organismi unicellulari. La ricerca di un singolo antenato comune ha subito un altro colpo dopo che la ricerca ha mostrato estremofili, organismi capaci di sopravvivere in condizioni difficili e candidati per le prime forme di vita sulla Terra, probabilmente evoluti da altri batteri e successivamente adattati ai loro ambienti [fonte:Zimmer]. Ciò suggerisce che siano meno antichi di quanto si pensasse.
Ma sia che ci siamo evoluti da un singolo antenato comune o da molti, la domanda rimane:come è iniziata la vita sulla Terra? Ci avviciniamo alla risposta nella pagina successiva.
Qui torniamo, per così dire, all'inizio. Negli anni '50, uno studente laureato dell'Università di Chicago di nome Stanley Miller cercò di ricreare le condizioni trovate sulla Terra circa 3,8 miliardi di anni fa, nel periodo in cui i reperti fossili mostrarono per la prima volta la vita [fonte:Zimmer]. Miller progettò un esperimento ingegnoso e ormai famoso in cui aggiunse misurazioni approssimative di idrogeno, metano e ammoniaca in un pallone contenente acqua. Si pensava che questo elemento e i suoi composti fossero predominanti nell'atmosfera della giovane Terra. Quando Miller simulò un fulmine aggiungendo una scintilla, scoprì che la soluzione nella sua beuta ora conteneva qualcosa che prima non aveva:amminoacidi.
Gli aminoacidi sono comunemente chiamati gli elementi costitutivi della vita, poiché forniscono le basi per le proteine, necessarie per la struttura e le funzioni degli organismi. Gli esperimenti di Miller hanno retto. Ad esempio, un esperimento che includeva idrogeno solforato e un getto di vapore, che simula la presenza di attività vulcanica, si è successivamente scoperto essere un'approssimazione abbastanza precisa della Terra primordiale dalla ricerca avvenuta dopo la morte di Miller [fonte:NASA]. Un altro ha implicato la formaldeide come catalizzatore per l'origine della vita [fonte:Science Daily]. Questi esperimenti hanno prodotto prove ancora più convincenti del fatto che la vita sulla Terra ha avuto origine dall'abiogenesi.
Il fondamento dell’abiogenesi è che una volta sulla Terra esisteva la vita precellulare. Questi precursori della vita si sono assemblati dagli amminoacidi presenti nel brodo primordiale ricreato da Miller e sono diventati le proteine che forniscono struttura alle cellule e agiscono come enzimi per i processi cellulari. Ad un certo punto, queste proteine formarono modelli genetici in modo che potessero essere replicate e organizzate in organelli come i ribosomi , che trascrivono le molecole da questi modelli [fonte:Science Daily]. Alla fine, questi processi si sono riuniti per creare il DNA, che costituisce la base della vita cellulare.
L'abiogenesi come teoria sull'origine della vita ha avuto un impulso negli anni '80, quando il ricercatore Thomas Cech ha dimostrato che l'RNA può agire sia come portatore di codice genetico sia come enzima che catalizza quel codice nella creazione di molecole. Questa scoperta ha dato origine al mondo dell'RNA ipotesi , che è l'idea che gli amminoacidi si siano formati inizialmente nelle proteine che compongono l'acido ribonucleico (RNA), che prese il sopravvento e iniziò ad auto-replicarsi e a generare nuove combinazioni di proteine creando nuova vita pre-cellulare e infine cellulare.
Nell'abiogenesi, la vita organica è stata creata casualmente dai componenti inorganici della vita. Il suo concorrente scientifico prevede un diverso inizio della vita sulla Terra.
Il principio alla base della panspermia è che la vita ha avuto origine al di fuori della Terra e ha viaggiato verso il nostro pianeta, trovando un clima ospitale in cui prosperare e alla fine evolversi nella vita sulla Terra.
Panspermia è un vecchio concetto, risalente addirittura al concetto di tassonomia, quando lo storico francese Benoit de Maillet propose che la vita sulla Terra fosse il risultato di germi "seminati" dallo spazio [fonte:Panspermia-Theory]. Da allora, ricercatori da Stephen Hawking a Sir Francis Crick (che abbandonò il suo iniziale sostegno all'ipotesi del mondo a RNA) hanno mantenuto la convinzione che la vita sulla Terra abbia avuto origine lontano da questo pianeta.
La teoria della panspermia rientra in tre grandi categorie. La vita viaggiava attraverso detriti spaziali provenienti da qualche parte al di fuori del nostro sistema solare, il concetto di litopanspermia , o da un altro pianeta nel nostro sistema solare, panspermia balistica . La terza ipotesi, panspermia diretta , sostiene che la vita sul nostro pianeta è stata diffusa intenzionalmente da forme di vita già stabilite e intelligenti [fonte:Panspermia-Theory].
Secondo l'ipotesi della panspermia, panspermia balistica (detta anche panspermia interplanetaria ) gode del più ampio consenso nella comunità scientifica. Pezzi di altri pianeti bombardano da tempo la Terra sotto forma di meteoriti. In effetti, un meteorite, ALH84001, scoperto in Antartide nel 1984, porta con sé ciò che alcuni scienziati considerano tracce di vita o precursori della vita come amminoacidi. Si calcola che si sia staccato da Marte più di 4 miliardi di anni fa [fonte:Thompson].
Dopo l'esame di ALH84001, astrobiologi - gli scienziati che studiano il potenziale della vita nello spazio - hanno scoperto che almeno quattro tracce di vita antica, da quelli che sembravano microbi fossilizzati a una forma di batteri magnetici [fonte:Schirber]. Da quando i risultati sono stati pubblicati nel 1996, tre delle tracce di vita trovate nel meteorite sono state scartate. Ma resta in discussione se l'ultima traccia, le catene di magnetite, siano minerali o siano state prodotte biologicamente da antichi batteri marziani.
Marte è il candidato più probabile per la panspermia balistica. La disposizione delle orbite di Marte e della Terra attorno al sole rende circa 100 volte più facile per una roccia viaggiare da Marte alla Terra che viceversa [fonte:Chandler]. E nel corso della storia della Terra, si stima che circa 5 trilioni di rocce abbiano compiuto il viaggio [fonte:NASA]. Inoltre, nelle loro prime storie, la Terra e Marte erano adatti a ospitare la vita, entrambi caratterizzati da atmosfere umide e acqua sulle loro superfici.
Nonostante tutte queste prove, non è ancora chiaro come sia iniziata la vita sulla Terra. Leggi alcune critiche alla panspermia e all'abiogenesi nella pagina successiva.
Sebbene gli esperimenti condotti da Stanley Miller e altri che si sono basati sul suo lavoro dimostrino che la vita potrebbe essere nata da un brodo primordiale, tale possibilità rimane teorica. Non ci sono prove dell'esistenza di vita precellulare sulla Terra; inoltre, i critici dell'ipotesi del mondo a RNA sottolineano che gli esperimenti che supportano questi concetti sono stati condotti con RNA creato biologicamente. L'RNA può agire sia come modello per l'autoreplicazione che come enzima per l'esecuzione di tale processo, ma questi risultati sono stati ottenuti in esperimenti di laboratorio controllati. Ciò non prova necessariamente che azioni così delicate potessero verificarsi nei mari dell'antica Terra.
Per ragioni come queste, l'ipotesi del mondo a RNA è stata in gran parte abbandonata dai sostenitori dell'abiogenesi a favore di altre ipotesi, come lo sviluppo simultaneo di proteine e modelli genetici o lo sviluppo della vita intorno a sorgenti sottomarine simili a quelle attualmente abitate dagli estremofili di oggi. Ma c’è una critica che qualsiasi ipotesi di abiogenesi ha difficoltà a superare:il tempo. Si pensa che la vita basata sul DNA si sia sviluppata sulla Terra a partire da circa 3,8 miliardi di anni fa, dando alle forme di vita precellulari circa 1 miliardo di anni per eseguire processi casuali di codifica di proteine utili e assemblarle nei precursori della vita cellulare [fonte:Discovery Notizia]. I critici dell'abiogenesi sostengono che semplicemente non c'è abbastanza tempo perché la materia inorganica diventi la vita precellulare teorizzata. Una stima suggerisce che ci vorrebbero 10 ^ 450 (10 alla 450a potenza) anni affinché una proteina utile venga creata casualmente [fonte:Klyce].
Questo è un ostacolo che rende la panspermia una spiegazione interessante:non spiega l’origine della vita, ma semplicemente l’origine della vita sulla Terra. Le ipotesi sulla panspermia non contraddicono necessariamente l'abiogenesi; spostano semplicemente l'origine altrove. Tuttavia, la giuria è ancora fuori su diversi fattori importanti che devono essere presenti affinché la panspermia sia corretta. È possibile, ad esempio, che la vita microbica sopravviva durante le dure condizioni incontrate nel viaggio nello spazio, nell'ingresso nell'atmosfera terrestre e nell'impatto sulla superficie terrestre?
Alcune ipotesi recenti suggeriscono che non è necessario che sopravviva. Un ricercatore postula che frammenti morti di DNA potrebbero essere arrivati sulla Terra attraverso la panspermia balistica e essere replicati attraverso un processo avviato simile al mondo dell'RNA [fonte:Grossman]. Altri ricercatori mirano a esplorare Marte alla ricerca di vita fossile e a confrontare qualsiasi materiale genetico con quello trovato universalmente sulla Terra per determinare la relazione [fonte:Chandler].
Tuttavia, se la vita sulla Terra è iniziata altrove e ha raggiunto il nostro pianeta, la domanda rimane ancora:qual è l'origine della vita?
